Summary

Background

 CSF and PET biomarkers of amyloid β and tau accurately detect Alzheimer's disease pathology, but the invasiveness, high cost, and poor availability of these detection methods restrict their widespread use as clinical diagnostic tools. CSF tau phosphorylated at threonine 181 (p-tau181) is a highly specific biomarker for Alzheimer's disease pathology. We aimed to assess whether blood p-tau181 could be used as a biomarker for Alzheimer's disease and for prediction of cognitive decline and hippocampal atrophy. 

Methods

 We developed and validated an ultrasensitive blood immunoassay for p-tau181. Assay performance was evaluated in four clinic-based prospective cohorts. The discovery cohort comprised patients with Alzheimer's disease and age-matched controls. Two validation cohorts (TRIAD and BioFINDER-2) included cognitively unimpaired older adults (mean age 63–69 years), participants with mild cognitive impairment (MCI), Alzheimer's disease, and frontotemporal dementia. In addition, TRIAD included healthy young adults (mean age 23 years) and BioFINDER-2 included patients with other neurodegenerative disorders. The primary care cohort, which recruited participants in Montreal, Canada, comprised control participants from the community without a diagnosis of a neurological condition and patients referred from primary care physicians of the Canadian National Health Service for specialist care. Concentrations of plasma p-tau181 were compared with established CSF and PET biomarkers and longitudinal measurements using Spearman correlation, area under the curve (AUC), and linear regression analyses. 

Findings

 We studied 37 individuals in the discovery cohort, 226 in the first validation cohort (TRIAD), 763 in the second validation cohort (BioFINDER-2), and 105 in the primary care cohort (n=1131 individuals). In all cohorts, plasma p-tau181 showed gradual increases along the Alzheimer's disease continuum, from the lowest concentrations in amyloid β-negative young adults and cognitively unimpaired older adults, through higher concentrations in the amyloid β-positive cognitively unimpaired older adults and MCI groups, to the highest concentrations in the amyloid β-positive MCI and Alzheimer's disease groups (p<0·001, Alzheimer's disease vs all other groups). Plasma p-tau181 distinguished Alzheimer's disease dementia from amyloid β-negative young adults (AUC=99·40%) and cognitively unimpaired older adults (AUC=90·21–98·24% across cohorts), as well as other neurodegenerative disorders, including frontotemporal dementia (AUC=82·76–100% across cohorts), vascular dementia (AUC=92·13%), progressive supranuclear palsy or corticobasal syndrome (AUC=88·47%), and Parkinson's disease or multiple systems atrophy (AUC=81·90%). Plasma p-tau181 was associated with PET-measured cerebral tau (AUC=83·08–93·11% across cohorts) and amyloid β (AUC=76·14–88·09% across cohorts) pathologies, and 1-year cognitive decline (p=0·0015) and hippocampal atrophy (p=0·015). In the primary care cohort, plasma p-tau181 discriminated Alzheimer's disease from young adults (AUC=100%) and cognitively unimpaired older adults (AUC=84·44%), but not from MCI (AUC=55·00%). 

Interpretation

 Blood p-tau181 can predict tau and amyloid β pathologies, differentiate Alzheimer's disease from other neurodegenerative disorders, and identify Alzheimer's disease across the clinical continuum. Blood p-tau181 could be used as a simple, accessible, and scalable test for screening and diagnosis of Alzheimer's disease. 

Funding

 Alzheimer Drug Discovery Foundation, European Research Council, Swedish Research Council, Swedish Alzheimer Foundation, Swedish Dementia Foundation, Alzheimer Society Research Program.

Compelling experimental evidence suggests that microglial activation is involved in the spread of tau tangles over the neocortex in Alzheimer's disease (AD). We tested the hypothesis that the spatial propagation of microglial activation and tau accumulation colocalize in a Braak-like pattern in the living human brain. We studied 130 individuals across the aging and AD clinical spectrum with positron emission tomography brain imaging for microglial activation ([11C]PBR28), amyloid-β (Aβ) ([18F]AZD4694) and tau ([18F]MK-6240) pathologies. We further assessed microglial triggering receptor expressed on myeloid cells 2 (TREM2) cerebrospinal fluid (CSF) concentrations and brain gene expression patterns. We found that [11C]PBR28 correlated with CSF soluble TREM2 and showed regional distribution resembling TREM2 gene expression. Network analysis revealed that microglial activation and tau correlated hierarchically with each other following Braak-like stages. Regression analysis revealed that the longitudinal tau propagation pathways depended on the baseline microglia network rather than the tau network circuits. The co-occurrence of Aβ, tau and microglia abnormalities was the strongest predictor of cognitive impairment in our study population. Our findings support a model where an interaction between Aβ and activated microglia sets the pace for tau spread across Braak stages. Microglial activation and tau accumulation propagate together in patients with Alzheimer's disease, suggesting an interaction that determines disease progression.

18F-THK5351 is a quinoline-derived tau imaging agent with high affinity to paired helical filaments (PHF). However, high levels of 18F-THK5351 retention in brain regions thought to contain negligible concentrations of PHF raise questions about the interpretation of the positron emission tomography (PET) signals, particularly given previously described interactions between quinolone derivatives and monoamine oxidase B (MAO-B). Here, we tested the effects of MAO-B inhibition on 18F-THK5351 brain uptake using PET and autoradiography. Eight participants (five mild cognitive impairment, two Alzheimer’s disease, and one progressive supranuclear palsy) had baseline 18F-AZD4694 and 18F-THK5351 scans in order to quantify brain amyloid and PHF load, respectively. A second 18F-THK5351 scan was conducted 1 week later, 1 h after a 10-mg oral dose of selegiline. Three out of eight patients also had a third 18F-THK5351 scan 9–28 days after the selegiline administration. The primary outcome measure was standardized uptake value (SUV), calculated using tissue radioactivity concentration from 50 to 70 min after 18F-THK5351 injection, normalizing for body weight and injected radioactivity. The SUV ratio (SUVR) was determined using the cerebellar cortex as the reference region. 18F-THK5351 competition autoradiography studies in postmortem tissue were conducted using 150 and 500 nM selegiline. At baseline, 18F-THK5351 SUVs were highest in the basal ganglia (0.64 ± 0.11) and thalamus (0.62 ± 0.14). In the post-selegiline scans, the regional SUVs were reduced on average by 36.7% to 51.8%, with the greatest reduction noted in the thalamus (51.8%) and basal ganglia (51.4%). MAO-B inhibition also reduced 18F-THK5351 SUVs in the cerebellar cortex (41.6%). The SUVs remained reduced in the three patients imaged at 9–28 days. Tissue autoradiography confirmed the effects of MAO-B inhibition on 18F-THK5351 uptake. These results indicate that the interpretation of 18F-THK5351 PET images, with respect to tau, is confounded by the high MAO-B availability across the entire brain. In addition, the heterogeneous MAO-B availability across the cortex may limit the interpretation of 18F-THK5351 scans using reference region methods.

Abstract White matter (WM) injury is frequently observed along with dementia. Positron emission tomography with amyloid-ligands (Aβ-PET) recently gained interest for detecting WM injury. Yet, little is understood about the origin of the altered Aβ-PET signal in WM regions. Here, we investigated the relative contributions of diffusion MRI-based microstructural alterations, including free water and tissue-specific properties, to Aβ-PET in WM and to cognition. We included a unique cohort of 115 participants covering the spectrum of low-to-severe white matter hyperintensity (WMH) burden and cognitively normal to dementia. We applied a bi-tensor diffusion-MRI model that differentiates between (i) the extracellular WM compartment (represented via free water), and (ii) the fiber-specific compartment (via free water-adjusted fractional anisotropy [FA]). We observed that, in regions of WMH, a decrease in Aβ-PET related most closely to higher free water and higher WMH volume. In contrast, in normal-appearing WM, an increase in Aβ-PET related more closely to higher cortical Aβ (together with lower free water-adjusted FA). In relation to cognitive impairment, we observed a closer relationship with higher free water than with either free water-adjusted FA or WM PET. Our findings support free water and Aβ-PET as markers of WM abnormalities in patients with mixed dementia, and contribute to a better understanding of processes giving rise to the WM PET signal.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) is a brain network disorder where pathological proteins accumulate through networks and drive cognitive decline. Yet, the role of network connectivity in facilitating this accumulation remains unclear. Using in-vivo multimodal imaging, we show that the distribution of tau and reactive microglia in humans follows spatial patterns of connectivity variation, the so-called gradients of brain organization. Notably, less distinct connectivity patterns (“gradient contraction”) are associated with cognitive decline in regions with greater tau, suggesting an interaction between reduced network differentiation and tau on cognition. Furthermore, by modeling tau in subject-specific gradient space, we demonstrate that tau accumulation in the frontoparietal and temporo-occipital cortices is associated with greater baseline tau within their functionally and structurally connected hubs, respectively. Our work unveils a role for both functional and structural brain organization in pathology accumulation in AD, and supports subject-specific gradient space as a promising tool to map disease progression.